JP2004212246A

JP2004212246A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2004212246A
Application number: JP2003000393A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Saito; 正勝斎藤; Isao Sakaguchi; 勇夫坂口; Yoshio Ikeda; 由夫池田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-06
Also published as: JP4089961B2

Abstract

【課題】加速度センサチップと規制板や保護ケースとを硬く固着していたために、感度低下、オフセット電圧増加などの特性の劣化を避けるために、線膨張係数を合わせる必要があり低価格で高性能な加速度センサを製造できなかった。
【解決手段】加速度センサチップを線膨張係数が約７の規制板や保護ケースに固着する場合に、ヤング率が１０^−２ＧＰａより小さいシリコンゴム系の樹脂を用い可撓部に対して対称な４箇所で、接着面積を支持部面積の５〜５０％とすることで、高耐衝撃性、高性能と低価格とを両立させた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、航空機、携帯端末機器、玩具等に用いられる加速度検出用の半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加速度センサは、自動車のエアーバッグ作動用の大きな衝撃力を検出する用途やブレーキ制御システムなどの車両制御用途向けの小さな加速度の検出に使用されてきた。これらの自動車用途ではＸ軸、Ｙ軸の加速度を測定するため１軸もしくは２軸機能で充分であった。最近は、携帯端末機器、ロボットや人体動作の検出による各種制御等の新しい用途向けに開発、実用化が進んできている。このような新用途では空間の動きを検出することが多いためＸ、Ｙ、Ｚ軸の加速度を測定できる３軸加速度センサが要求されてきている。また、微小な加速度を検出するために高分解能で、小型・薄型であることも要求されている。
【０００３】
加速度センサは可撓部の動きを電気信号に変換する方法で、ピエゾ抵抗型、静電容量型、圧電型に大別される。用途によって使い分けられるが、静止加速度の検出用途ではピエゾ抵抗型と静電容量型に絞られ、これら２つのタイプはシリコン基板に半導体技術やマイクロマシン技術により立体的な構造を形成することにより小型で高感度の加速度センサを一度に大量に製造できる。特に、ピエゾ抵抗型は構造および製造プロセスが単純であり小型・薄型で低価格化に向いた加速度センサである。
【０００４】
従来の加速度センサ素子構造として特開平５−４１１４８号に記載されているものがある。その構造を図７示す。加速度センサ素子５０は、センサチップ中央に錘部５９、周辺に支持部５２があり、錘部５９は可撓部５８に接続され、可撓部５８は支持枠５２に接続され、可撓部５８には複数個のピエゾ抵抗素子６０が設けられている。ピエゾ抵抗素子６０は電極端子に配線パターン（図示せず）で接続されている。加速度に比例した外力が加速度センサ素子に加わると錘部５９が動き、それに伴って可撓部５８が変形しピエゾ抵抗素子に加わる応力が変化し、抵抗値が変わる。ピエゾ抵抗素子の抵抗変化は微小であるため、可撓部５８上に４個のピエゾ素子を配してフルブリッジ回路を構成し、この抵抗変化を電圧変化として検出するものである。
【０００５】
この構造において、加速度センサ素子の感度は、可撓部の長さを長く、幅を狭く、厚みを薄くするほど向上するものである。例えば、高感度品では可撓部の長さは５００〜７００μｍ、幅は８０〜１２０μｍ、厚みは５〜１０μｍと非常に薄くなっている。このため、シリコンで形成された可撓部５８は強度的に弱く、大きな衝撃力が加わると簡単に破損してしまう。そこで、高感度で高耐衝撃性を確保するために、錘部５９の動きを規制する構造が採用されている。すなわち、図７に示したように、上部規制板５１、下部規制板５３を接着剤５７などにより加速度センサ支持部５２に固着することによって錘部５９の動きを規制し可撓部５８の破損を防止するものである。
【０００６】
このような機能を果たす規制板の設置にあたっては、陽極接合、ガラス接着あるいは樹脂接着などの方法により固く接着する方法が一般に取られていた。具体的には、１個１個のセンサチップに規制板５１、５３の個辺を接着する方法と加速度センサおよび規制板それぞれをウエハの状態で固着した後でダイシングすることで個々の加速度センサ素子５０を製造する方法とがある。前者は組立工程でのハンドリング方法の工夫、自動化などにより可撓部５８の破損防止を図るとともに高い生産性を確保するという考え方であり、後者は加速度センサ個片になる前に規制板を設置し強度を上げ、組立工程を容易にするという考え方である。いずれにしても従来は、図７に示した規制板５１、５３の周辺の４辺全面が接着剤５７によって加速度センサの支持部５２全面と硬く固着されていた。
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】
ところが、このように上下の規制板５１、５３と加速度センサチップとを硬く固着する従来の製造技術においては、固着時の残留応力による感度低下、オフセット電圧の増加や構成部材の線膨張係数差による温度ドリフトの悪化などを抑えるために、線膨張係数のほぼ一致する構成部材を選定していた。そのため、構成部材の価格が高く低価格の加速度センサの供給ができなかった。逆に低価格の材料を選定した場合には、線膨張係数の不整合により可撓部５８に発生するわずかの応力のために感度が低下したり、残留応力のわずかな不均一により可撓部５８の変形が生ずるためにフセット電圧が増加したり、さらには膨張係数の不整合のために温度ドリフトが悪化するなど、特性面での犠牲を避けられなかった。
【０００８】
従来加速度センサの構成部材として用いられている材料例とその線膨張係数（熱膨張係数ｄｅｇ^−１）を表１に示す。上下規制板５１、５３として、表１にあるシリコン基板あるいはシリコン基板とほぼ同じ３．２ｘ１０^−６の線膨張係数の高価なガラス基板を用いて特殊、高価な接合装置で固着すれば上述した技術課題は解決できるが設備が高価なことも加わって完成した加速度センサも高価なものになる。また、薄型化を狙ってセラミックス材からなる保護ケース底面を下部規制板５３と兼ねる構造とする場合にはこのような接合技術は使えず、簡便な方法としてエポキシ系樹脂などにより固着する方法によるしかない。この場合には、保護ケースの線膨張係数は約７ｘ１０^−６でシリコン基板（線膨張係数約２．４ｘ１０^−６）とは異なることは言うまでもなく、接着樹脂の線膨張係数も大きく異なり、室温硬化の樹脂であっても硬化時の収縮応力が残留応力として残ることは避けられない。したがって、感度の低下やオフセット電圧の増加などを生じる。また、温度が変わった場合には、当然この線膨張係数差により特性のドリフトが生じてしまう。このように、加速度センサチップの支持部４辺の表裏全面において、上下規制板と、あるいは、上部規制板と保護ケースとに固着する従来方法では、高性能で小型・薄型、低価格を同時に満足することはできない。
表１従来の加速度センサに用いられてきた構成部材とその線膨張係数

【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、線膨張係数の異なる安価な材料を規制板などに使用しても特性への影響を最小限に抑え、小型・薄型で高性能、低価格の加速度センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の加速度センサは、チップ中央に錘部、周辺に支持部があり両者を薄肉の可撓部で接続し、可撓部上に複数個のピエゾ抵抗素子から成る加速度検出部を配した加速度センサチップを上下の規制板に、あるいは、上部規制板と下部規制板を兼ねる保護ケースとに固着してなる加速度センサであって、加速度センサチップを可撓部に対して線対称となる支持部の表面および裏面の偶数箇所において、シリコンゴム系接着剤を用いて上下の規制板あるいは上部規制板と保護ケースとに固着したものである。
【００１１】
本発明では、規制板設置の本来の目的に戻り加速度センサ全体の製造方法を見直すことで解決策を見出したものである。規制板設置の本来の目的は、検出範囲外の大きな衝撃力が加わった時に錘部や可撓部の動きを抑制して可撓部の破損を防止することであるから、加速度センサチップの支持部の表裏全面に渡って、上下の規制板あるいは上部規制板と保護ケース底面とに固着されている必要はない。すなわち、組立後に大きな耐衝撃力が加わっても上下の規制板が剥れなければよい、またはセンサチップ自体が保護ケースから剥れることがなければよい。この考え方に基づいて、接着樹脂を分割し、最低限必要な接着強度を得られる接着面積まで縮小して、かつ、樹脂による接着位置を可撓部から見て均一な配置となる支持部表面及び裏面において、加速度センサチップを上下規制板にあるいは上部規制板と保護ケースとに固着したものである。
本発明では、上述したウエハ状態で加速度センサウエハと規制板ウエハとを固着する従来の製造方法の適用は難しく、組立工程などで可撓部が破損しないように安定化するためラインを自動化するなどの方策をとった。接着樹脂の応力の影響を最小限にするには、全体の応力バランスも考慮し、できるだけ応力が均一に分散、最小になるように配慮した。その時に、自動化設備においては画像認識により樹脂の塗布位置を決定しやすいことも考慮する必要がある。本発明では、このような観点から樹脂の塗布、接着位置として、支持部の４つの角部、あるいは可撓部が接続される支持部の中央部４箇所とすることによって、残留応力の均一化や応力の影響を最小限に押えるものである。この結果、シリコンゴム系接着樹脂を用いた時に、線膨張係数の異なる規制板や保護ケースを固着した場合に可撓部に掛かる残留応力を最も極小にでき、特性への悪影響を許容範囲内に押えることができるものである。
【００１２】
本発明の加速度センサは、シリコンゴム系接着材としてヤング率が１０^−２ＧＰａより小さく、上下規制板あるいは保護ケースの線膨張係数は２ｘ１０^−６より大きく、８ｘ１０^−６より小さい材料としたことを特徴とする。
【００１３】
接着樹脂としてのシリコンゴム系樹脂は一般的にヤング率が非常に小さいために硬化後でも柔らかく、線膨張係数差による応力などを軽減できるという特長がある。本発明においては、特にヤング率が１０^−２ＧＰａより小さい場合にはその効果が大きく、規制板や保護ケースとして線膨張係数が大きく異なる材料を接着した場合でも加速度センサの特性への影響を非常に小さいものにすることができるものである。
【００１４】
本発明の加速度センサは、シリコンゴム系接着樹脂の合計接着面積が支持部面積の５％〜５０％であり、球形のプラスティックスペーサを介して加速度センサチップを上下の規制板あるいは上部規制板と保護ケースとに固着したことを特徴とする。
【００１５】
加速度センサの用途として携帯端末機器などへの応用研究が盛んになりつつあるが、携帯端末機器などを落下させた場合には、容易に１０００Ｇを超えるような大きな衝撃力が加わる場合があり、規制板が剥れたり、加速度センサチップそのものが剥れたりすることがある。樹脂の接着面積と規制板や加速度センサチップの接着強度との関係を調査したところ、支持部面積の５％以上の接着面積があれば、１０００Ｇ以上の大きなの衝撃力が加わっても、規制板が剥れたり、加速度センサチップが剥れたりすることがなかった。また、特性への接着樹脂の応力の影響を最小に抑えるには、できるだけ接着面積は小さいことが好ましいが、支持部面積の約５０％までの接着面積であれば、感度低下なども許容範囲であった。更に、この範囲の接着面積に安定して再現性良く制御することが必要になるが、シリコンゴム系の接着剤は水のように流れ易く、接着剤だけで接着面積を一定に制御することは難しい。本発明では、球形のプラスティックスペーサを重量比で約１０％を樹脂に混合することで解決したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の加速度センサの実施例について図１、２および３を用いて説明する。図１は、本発明の加速度センサの展開図、図２はＢ−Ｂ’断面図、図３は加速度センサチップ表面（同図ａ）と裏面（同図ｂ）の樹脂接着位置を示す平面図、である。本実施例は上部規制板２１を有し、下部規制板は保護ケース２の内底面で代用することで薄型化を図った構造の例である。図１において加速度センサチップ１００の端子１４はワイヤー４で保護ケース２の端子５に接続され外部端子６に接続される。規制板２１を加速度センサチップ１００上面に硬質プラスチック球（図示せず）を混練した接着剤７１を用いて固着、更にこの規制板２１付きの加速度センサチップを同じく硬質プラスチック球を混練した樹脂７により保護ケース２に固着、最後に蓋３を保護ケース２に低融点ガラスで固着密封して加速度センサを形成した。また、ピエゾ抵抗素子１５（図３参照）は図１、２では図示は省略している。本実施例で用いた構成部材を以下に示す。保護ケース２および蓋３は従来同様の線膨張係数のアルミナ系セラミックス、上部規制板２１は線膨張係数が約７ｘ１０^−６の低価格の硼珪酸ガラス板、また、接着樹脂７、７１には線膨張係数は３００ｘ１０^−６と非常に大きいがヤング率が８．８ｘ１０^−４ＧＰａと逆に非常に小さいという特徴のあるシリコンゴム系樹脂（例えば、東レ・ダウコーニング・シリコーン製の型式ＤＡ６５０１）を用いた。また、スペー
サーには線膨張率９８ｘ１０^−６の球状硬質プラスチックを重量比でシリコンゴム系樹脂にあらかじめ混合して用いた。
表２実験に用いた構成部材とその線膨張係数

【００１７】
ピエゾ抵抗素子の製造方法と加速度センサの寸法関係を簡単に説明する。約６００μｍ厚のシリコン板に１μｍのシリコン酸化層と１０μｍ程度のシリコン層を有するＳＯＩウェファーを使用した。フォトレジストでパターニング行いシリコン層にボロンを１〜３ｘ１０^１８原子／ｃｍ^３打ち込みピエゾ抵抗素子を作製、ピエゾ抵抗素子に接続する配線を、金属スパッタ−、ドライエッチング装置を用いて形成した。シリコン層に可撓部１３と錘部１１、支持部１２をフォトリソ技術とドライエッチング装置を用いて形成した。シリコン酸化層がエッチングストッパーとなるため、エッチングされるのはシリコン層のみである。ピエゾ素子面を下にしてＳＯＩウェファーをダミー基板に接着し、ＳＦ_６と酸素を導入したプラズマ内でシリコン板の約６００μｍをエッチングした。可撓部１３と錘部１１、支持部１２が形成された基板を切断機でチップに分離したのち、溶剤を用い接着樹脂を溶かし加速度センサチップ１００をダミー基板から取り外した。高感度な加速度センサを得るため、可撓部１３の寸法は長さ５００μｍ、幅１１０μｍ、厚み約１０μｍと非常に薄く平板なものとなっている。錘部１１は、一辺の長さを１０００μｍ、支持部１２の幅は４００μｍとし、加速度センサチップ１００外観形状は３ｍｍ角厚み約０．６ｍｍとしている。
【００１８】
図１に示した展開図よりセンサの実装の手順は概略以下の通りである。図３ａ）に示したように、加速度センサチップ１００の支持部１２の４つの角部表面に硬質プラスチック球を混練した接着剤７１を塗布し、上部規制板２１を間隔１５μｍで固着した後、図３ｂ）に示した加速度センサチップ支持部の４隅に相当する位置の保護ケース２の内底面４箇所に同じく硬質プラスチック球を混練した接着剤７を塗布し、上部規制板２１付きの加速度センサチップ１００を組み込み、固着した。次に加速度センサチップ１００の端子１４と保護ケース２の端子５をワイヤー４で接続した。ワイヤーはφ２５μｍの裸金線を用い超音波ボンダーで溶接した。最後に蓋３を低融点ガラスなどで接着して加速度センサが完成する。
【００１９】
このようにして製造された本発明においては、加速度センサチップ１００は支持部の四角の表面および裏面にて、硬質プラスチック球を混合したシリコンゴム系接着剤７１、７により、それぞれ上部規制板２１および保護ケース２に固着されている。すなわち、シリコンゴム系樹脂による接着の様子は、図１のＢ−Ｂ’断面でのみ見え、図２に示した断面図のようになっている。このように可撓部１３からみた場合に線対称、点対称な位置にて固着することでわずかに残留する応力を均等に分散した。また、このときの樹脂の接着面積に関しては、特性への大きな影響が生じない程度の応力しか残らない接着面積で、かつ大きな衝撃力が加わっても加速度センサチップ１００や上部規制板２１が剥れることのない接着強度を得られる接着面積となるように樹脂の塗布量を制御した。図４に樹脂の接着面積と感度との関係を示す。本図には、シリコンゴム系樹脂の他に参考までにエポキシ系樹脂による実験結果も一緒に示した。
【００２０】
図４は、支持部１２の４箇所の樹脂接着面積をほぼ同一に変えて、加速度センサチップ１００を実装し感度を測定した結果と、加速度センサチップ１００を未接着のまま実装（金ワイヤーで吊り下げられた状態）して感度測定した結果と一緒にグラフに示したものである。硬質プラスチック球を１０ｗｔ％混合した樹脂を用いて実験した。樹脂接着面積が支持部１２面積の２０％になると感度は約２０％低下したが、まだ許容範囲内の低下であった。一方、エポキシ系樹脂を用いた場合には、シリコンゴム系樹脂の場合より更に２０％ほど感度は下がり、高感度を得るには応力の影響が大き過ぎることがわかった。このように、接着樹脂の面積によって感度が低下する理由は、樹脂が硬化するときの収縮応力によって、可撓部１３に引張り応力がかかり、錘部１１が動きにくくなるためと考えられる。また、支持部１２の４箇所の樹脂接着面積が支持部面積の５％以上あれば、１０００Ｇ以上の大きな衝撃力を加えた場合でも加速度センサチップ１００や上部規制板２１が剥れることはなく、耐衝撃性も問題なかった。樹脂の接着面積を大きくすれば、比例的に耐衝撃性は上がるので、必要な耐衝撃力によって、接着面積を決定すれば良いが、感度低下の観点から最小の接着面積を選ぶことが望ましい。
【００２１】
以上の、実験では硬質プラスチック球の混合割合を１０ｗｔ％としたが、このプラスチック球の目的は、上部規制板２１や保護ケース２の内底面と加速度センサチップ１００とのギャップを精度良く制御することであるから、接着樹脂１箇所当り一個以上のプラスチック球が混合されていれば実際上は問題なく、１ｗｔ％の混合比でも約１０個プラスチック球が接着樹脂内に含まれ十分機能した。また、混合比の上限は上部規制板２１や保護ケース２との接着強度が十分得られれば良く、４０ｗｔ％の混合比でも問題なかった。
【００２２】
更に温度ドリフトについて、上述の表２に示した線膨張係数が３．２ｘ１０^−６と７．２ｘ１０^−６の規制板ガラス（前者の価格は後者の価格の３０倍以上）とについて、シリコンゴム系樹脂接着面積を２０％として温度ドリフトを測定した。温度範囲−４０〜８５℃において、両ガラスとも、感度の温度ドリフトは約０．１％／℃（室温感度比）、オフセット電圧の温度ドリフトは約０．６％／℃（室温の感度比）と同等であった。このように本発明によれば、規制板ガラスの線膨張係数差の影響をほとんどなくすことができ、安価な材料を使うことができる。
【００２３】
次に本発明になる他の実施例を図５、図６に示す。両図は図３に相当するシリコンゴム系樹脂７、７１の塗布位置を示す加速度センサチップ表面および裏面の平面図、である。同一部にはわかりやすいように同一の符合を付した。図５ａ）および図６ａ）は、上部規制板２１の接着位置、および加速度センサチップ１００の保護ケース２への接着位置を可撓部１３が接続される支持部１２の４辺の中央部としたものである。図５ｂ）および図６ｂ）は接着可所を可撓部１３の支持部１２との接続部２箇所とした場合、更に図５ｃ）および図６ｃ）は、第１の実施例と図５ａ）、図６ａ）とを合わせた８箇所において樹脂接着した場合を示したものである。これらいずれの場合にも、図１と同様に安価で、線膨張係数が約７ｘ１０^−６と大きなガラス板を規制板２１にする場合、あるいは保護ケース２を下部規制板とする場合でも、感度などへの影響は小さく、小型で高性能な加速度センサを得られた。また、上述の実施例では、加速度センサチップ１００を保護ケース２に接着する個所と上部規制板２１を加速度センサチップ１００に接着する個所を支持部１２の同一の４箇所としたが、例えば、一方を支持部１２の４つの角部、一方を支持部１２の４辺の中央部としても良い。更に、接着剤の形状については、全て楕円形状で説明したが、ほぼ一定の形に安定して制御できれば良いのであって形は円形、三角形、四角形や不定形状など、どんな形でも良い。
【００２４】
上述の説明は全てピエゾ抵抗型の加速度センサを用いて説明したが、加速度の検出方式として静電容量型もあり、この場合でも本発明の効果は同様である。静電容量型の場合には、可撓部側の稼動電極と相対しコンデンサを形成する対向電極を形成した平行板側が上部規制板の機能を合わせ持っている。この対向電極側は陽極接合などの方法でセンサチップに硬く固着される必要がある。しかし、下部規制板はピエゾ抵抗型の場合と同じであり、専用の下部規制板を設置するか、保護ケースの内底面を下部規制板として使うかである。すなわち、静電容量型の場合にも、加速度センサチップと下部規制板あるいは保護ケースとの固着に本発明を適用することで、感度の低下やオフセット電圧の増加、温度特性の劣化、などを最小限に押えられる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、線膨張係数の異なる安価な材料を規制板に使用し、線膨張係数の大きく異なる接着樹脂、などを使用しても特性への影響を最小限に抑え、小型・薄型で高性能、低価格な加速度センサを提供することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサの展開図である。
【図２】図１の加速度センサのＢ−Ｂ’断面図である。
【図３】図１の加速度センサチップにシリコンゴム系樹脂を塗布した状態を示す平面図である。
【図４】接着樹脂面積と感度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施例を示す加速度センサチップ表面の樹脂塗布位置を示す正面図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す加速度センサチップ裏面の樹脂塗布位置を示す正面図である。
【図７】従来の加速度センサの断面図である。
【符号の説明】
１保護ケースの蓋の接着剤、２保護ケース、３保護ケース蓋、
４ワイヤー、５電極端子、６外部端子、７，７１接着剤、
１１錘部、１２支持部、１３可撓部、１４電極パッド、
１５ピエゾ抵抗素子、２１上部規制板、５０加速度センサ、
５１上部規制板、５２支持部、５３下部規制板、５４電極パッド、
５７接着材、５８可撓部、５９錘部、６０ピエゾ抵抗素子、
１００加速度センサチップ。

Claims

チップ中央に錘部、周辺に支持部があり両者を薄肉の可撓部で接続し、可撓部上に複数個のピエゾ抵抗素子から成る加速度検出部を配した加速度センサチップを上下の規制板に、あるいは、上部規制板と下部規制板を兼ねる保護ケースとに固着してなる加速度センサであって、加速度センサチップを可撓部に対して線対称となる支持部の表面および裏面の偶数箇所において、シリコンゴム系接着材を用いて上下の規制板にあるいは上部規制板と保護ケースとに固着したことを特徴とする加速度センサ。
上記シリコンゴム系接着材はヤング率が１０^−２ＧＰａより小さく、上下規制板あるいは保護ケースの線膨張係数は２ｘ１０^−６より大きく、８ｘ１０^−６より小さいことを特徴とする第１項記載の加速度センサ。
上記シリコンゴム系接着樹脂の合計接着面積が支持部面積の５％〜５０％であり、球形のプラスティックスペーサを介して加速度センサチップを上下の規制板にあるいは上部規制板と保護ケースとに固着したことを特徴とする第１項、第２項記載の加速度センサ。